מפעל כימי הפעיל מיכל תהליך של 2,500-ליטר שגובהו 2,200 מ"מ וקוטרו 1,200 מ"מ. תנור טבילה PTFE הותקן אנכית לאורך דופן המיכל. המחמם נכשל לאחר שבעה חודשי שירות בלבד, עם שלפוחיות מרוכזות בשליש העליון של החלק המחומם. למיכל לא היה ערבול מכני - הוא הסתמך על הסעה טבעית כדי להפיץ חום. הריבוד התרמי שהתפתח במיכל הגבוה יצר שכבה חמה בחלק העליון ושכבה קרירה בתחתית, והחלק העליון של המחמם פעל בשכבה החמה.
ריבוד תרמי מתרחש כאשר נוזל מפתח שכבות יציבות בטמפרטורות שונות. השכבות אינן מתערבבות כי הנוזל החם והפחות צפוף נשאר על גבי הנוזל הקריר והצפוף יותר. במיכל גבוה עם זרימת דם חלשה, הריבוד יכול להיות חמור.
למה טנקים גבוהים לרבד
הריבוד מונע על ידי ציפה. כאשר מחמם טבילה PTFE מחמם את הנוזל ליד דופן המיכל, הנוזל המחומם עולה. במיכל קצר, הנוזל העולה מגיע לפני השטח במהירות ומתפשט, מתערבב עם התפזורת. במיכל גבוה, הנוזל העולה יוצר שכבה יציבה בחלק העליון. השכבה מעמיקה ככל שמצטבר יותר נוזל מחומם.
הפרש הטמפרטורות בין השכבה העליונה והתחתון יכול להגיע ל-15-25 מעלות במיכל גבוה ללא תסיסה. השכבה העליונה חמה יותר ופחות צפופה. השכבה התחתונה קרירה וצפופה יותר. הממשק בין השכבות הוא גבול יציב המתנגד לערבוב.
| גובה הטנק | גובה-ל-יחס קוטר | ערבוב הסעה טבעי | מלמעלה-למטה- ΔT | סיכון ריבוד |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | טוֹב | 3-6 מעלות | נָמוּך |
| 1,000–1,500 מ"מ | 1:1 עד 1.5:1 | לְמַתֵן | 6-12 מעלות | לְמַתֵן |
| 1,500–2,000 מ"מ | 1.5:1 עד 2:1 | יָרוּד | 12-18 מעלות | גָבוֹהַ |
| >2,000 מ"מ | >2:1 | עניים מאוד | 18-25 מעלות | גבוה מאוד |
גובה מיכל וסיכון ריבוד במיכלי תהליך
מדוע הריבוד מקצר את חיי מחמם PTFE
המחמם פועל בסביבה מרובדת. החלק התחתון של המחמם נמצא בנוזל הקריר והצפוף יותר. החלק העליון נמצא בנוזל החם והפחות צפוף. החלק העליון פועל בטמפרטורה גבוהה יותר מהחלק התחתון.
הטמפרטורה הגבוהה מאיצה כל מנגנון פירוק. חלחול, חמצון ותצהיר אבנית עולים כולם עם הטמפרטורה. החלק העליון של המחמם מתכלה מהר יותר מהחלק התחתון. השלפוחיות מתרכזות בחלק העליון.
הריבוד גם מפחית את הכוח המניע להעברת חום. הנוזל בחלק העליון של המיכל כבר חם, כך שהפרש הטמפרטורה בין המחמם לנוזל קטן יותר. המחמם חייב לפעול חם יותר כדי לספק את אותו החום, מה שמאיץ את הפירוק עוד יותר.
מדוע הסעה טבעית לא יכולה להתגבר על ריבוד
הסעה טבעית מונעת על ידי הפרש הצפיפות בין הנוזל המחומם לנוזל הקריר יותר. במיכל גבוה, הפרש הצפיפות אינו גדול מספיק כדי להתגבר על השכבות היציבה. הנוזל המחומם עולה ונשאר בחלק העליון. זה לא מתערבב עם הנוזל הקריר למטה.
הריבוד הופך ליציב יותר ככל שהפרש הטמפרטורות גדל. הבדל של 15 מעלות בין השכבה העליונה והתחתונה יוצר הבדל צפיפות שמתנגד לערבוב. השכבות נשארות יציבות עד שעירור מכני או הפרעה שוברת אותן.
מניעת ריבוד בטנקים גבוהים
המניעה היעילה ביותר היא ערבול מכני. משאבת סחרור, מחנך או צינור זרזיף יכולים לשבור את השכבות היציבות ולערבב את המיכל. הערבול חייב להיות מספיק כדי להפוך את נפח המיכל בזמן סביר. קצב מחזור של 2-4 פעמים בשעה מתאים לרוב מיכלי התהליך.
דוד בעל צפיפות וואט נמוכה יותר מקטין את הפרש הטמפרטורות בין המחמם לנוזל. טמפרטורת המשטח התחתון מפחיתה את הריבוד המונע-על ציפה ומאטה את השפלה של חלק המחמם העליון.
תנורי חימום מרובים המפוזרים בגבהים שונים במיכל מספקים חימום אחיד יותר ומפחיתים את שיפוע הטמפרטורה. המחממים בחלק התחתון מחממים את הנוזל הקריר, והתנורים בחלק העליון שומרים על הנוזל החם יותר. התוצאה היא פרופיל טמפרטורה אחיד יותר.
| אמצעי מניעה | השפעה על ריבוד | יישום | עֲלוּת |
|---|---|---|---|
| תסיסה מכנית | מפרק שכבות | משאבה, מחנך, או זרזיף | לְמַתֵן |
| צפיפות וואט נמוכה יותר | מפחית את יכולת הציפה | עיצוב תנור חימום | לְמַתֵן |
| תנורי חימום מרובים בגבהים שונים | חימום אחיד | פריסת תנור חימום | גבוה יותר |
| בידוד טנק | מפחית איבוד חום | בִּדוּד | לְמַתֵן |
אמצעי מניעה לריבוד תרמי במיכלי תהליך גבוהים
כאשר ריבוד מצביע על בעיית עיצוב
מיכל גבוה שמתרבד למרות ערבול מכני מעיד שהערבול אינו מגיע לנפח המיכל המלא או שפרסת המחמם אינה מתאימה לגיאומטריית המיכל. תצורה מותאמת אישית של תנור טבילה מסוג PTFE עם מספר מחממים בגבהים שונים, צפיפות וואט נמוכה יותר ופריסה מותאמת לזרימה-נותנת מענה לגורם השורש של הריבוד. תהליך המפרט דורש את מידות המיכל, שיטת הערבול, דרישת אחידות הטמפרטורה והספק הנדרש. עבור מתקנים עם מיכלי תהליך גבוהים, גישה ספציפית ליישום-מפחיתה את הריבוד ומאריכה את חיי השירות של המחמם.
